雙效太陽能溫室溫度及光照觀測初報

宋明軍，王曉巍，邱仲華，王志偉

（甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，甘肅 蘭州 730070）

節(jié)能日光溫室是具有中國特色的農(nóng)業(yè)設(shè)施，但日光溫室生產(chǎn)環(huán)境的安全性和可控性較差，土地利用率低，冬季生產(chǎn)能力不高。雙效太陽能溫室（簡稱雙效溫室）是利用多種太陽能主動式蓄熱系統(tǒng)，如水幕太陽能系統(tǒng)、雙效熱泵系統(tǒng)及水袋式太陽能系統(tǒng)等溫室太陽能主動蓄放熱系統(tǒng)，以水為媒介，將白天的熱能蓄積在溫室水箱內(nèi)，通過晚間啟動主動蓄放熱系統(tǒng)放熱，進行溫室夜間及連陰天室內(nèi)持續(xù)補溫，實現(xiàn)了日光溫室太陽能主動與被動式蓄熱的結(jié)合利用。通過研制組裝式的溫室結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)日光溫室工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場組裝，提高建造效率和土地利用率[1～6]。甘肅省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所對本所研制組裝的雙效太陽能溫室部分環(huán)境因子進行了觀測，以期為雙效太陽能溫室的應(yīng)用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室概況

本試驗于2012年11月至2013年3月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院榆中園藝場進行。雙效太陽能溫室長度60.0m，跨度10.0m，高度4.5m，墻體厚度20 cm（雙面透明板中部填充20 cm厚聚苯乙烯顆粒），溫室方位角為偏西8°（圖1）。對照溫室為當?shù)貥藴蚀u包土墻日光溫室（跨度8.0m，脊高4.0m，墻體厚度1.4m）。兩座溫室覆蓋材料相同。

1.2 觀測項目及方法

2012年11月1日至2013年3月31日連續(xù)觀測。同時人工補充記載每天的氣象資料，如晴天、陰天、雨雪天氣等。

圖1 雙效太陽能溫室剖面結(jié)構(gòu)

1.2.1 光照強度 分別在試驗溫室內(nèi)距地面1.5m高處設(shè)9個觀測點進行觀測，溫室外部距地面1.5m高處設(shè)1個觀測點。測定儀器采用TES-1332A數(shù)字式照度計、UA-002-64溫度光照記錄儀。

1.2.2 溫度 分別在試驗溫室內(nèi)距地面1.5m高處設(shè)9個觀測點，溫室外部距地面1.5m高處設(shè)1個觀測點，蓄熱水箱設(shè)1個觀測點。測定儀器采用U23-001型和U12-015型溫度記錄儀。

1.2.3 地溫 采用HOBOU12溫度濕度光照記錄儀每1 h自動測定1次地表面及10、20、40 cm地溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)日溫度變化情況

圖2 雙效太陽能溫室晴天日溫度變化曲線

圖3 雙效太陽能溫室陰天日溫度變化曲線

2.1.1 晴天日溫變化 由圖2可知，雙效太陽能溫室冬季晴天最低溫度出現(xiàn)在揭簾前，揭簾后溫度短暫下降后回升。揭簾后9：00時至12：00時3 h內(nèi)升溫25.8℃，升溫速度高于對照溫室。打開通風口后，室內(nèi)溫室維持在27℃左右，晚間溫度降低，水幕及熱泵蓄放熱系統(tǒng)的啟動，室內(nèi)溫度明顯回升，蓄熱水箱溫度隨著蓄放熱系統(tǒng)的放熱下降4.53℃，8：30時雙效溫室內(nèi)最低溫度8.02℃，比對照溫室高3.54℃。

2.1.2 陰天日溫變化 陰天晚間，溫室內(nèi)氣溫隨著外界氣溫下降而下降。當溫室內(nèi)溫度低于8℃時，雙效溫室啟動主動蓄放熱系統(tǒng)，溫室內(nèi)溫度明顯高于對照普通溫室（圖3），雙效溫室和普通溫室最大溫差2.44℃。白天揭開保溫覆蓋物后，兩種溫室的溫度變化逐漸接近，但由于雙效溫室采光性能較好，陰天吸收的散射光多，升溫較普通溫室快。下午放下保溫被后，兩種溫室的溫度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。即溫室內(nèi)需要增溫時，啟動太陽能蓄放熱系統(tǒng)對溫室環(huán)境進行加溫，可提高溫室內(nèi)的環(huán)境溫度。

2.1.3 溫室內(nèi)最低溫度變化 從兩種溫室日最低溫度變化曲線（圖4）可知，隨著冬季外界氣溫的下降，雙效溫室和普通溫室內(nèi)最低溫度都呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。太陽能主動蓄熱系統(tǒng)啟動后，雙效溫室高于普通溫室2～5℃。說明雙效溫室內(nèi)安裝的太陽能主動蓄熱系統(tǒng)增溫效果非常明顯，可有效提高晚間溫室內(nèi)的環(huán)境溫度。

2.2 溫室內(nèi)光照變化

雙效太陽能溫室墻體沒填充隔熱保溫材料時，正午溫室中部前、中、后三個測點光強基本一致，分別為57.9 klux、55.7 klux和57.4 klux，差別不明顯；而普通日光溫室正午前部光強較中部強20%，較后部強30%～40%，證明雙效溫室正午室內(nèi)光強均勻，削弱了溫室后部墻和后屋面對溫室環(huán)境光強的影響。

2.3 溫室內(nèi)地溫日變化

2.3.1 不同深度地溫日變化 從雙效溫室地溫日變化曲線（圖5）可知，地表溫度隨氣溫變化而變化，受氣溫影響最明顯，中午最高可升至18.4℃，晚間最低12.0℃；10 cm地溫最高升到15.08℃，最低12.97℃；20 cm地溫最高升到13.66℃，最低13.28℃；40 cm地溫最高升到13.08℃，最低12.96℃；20 cm和40 cm日變化幅度較小，基本處于日恒溫層。

圖4 溫室日最低溫度變化曲線

圖5 冬季晴天溫室內(nèi)不同深度地溫變化

2.3.2 地溫旬變化 觀測結(jié)果（圖6）表明，地表旬平均溫度受外界氣溫影響較大，除12月中下旬和翌年元月上旬在10℃左右外，其余季節(jié)基本保持在12℃以上，冬季40 cm處旬平均地溫始終大于12℃。隨著天氣轉(zhuǎn)暖，溫室內(nèi)溫度回升，地表旬平均溫度也逐漸回升到12℃以上。冬季溫室內(nèi)外地溫值相差很大，在日光溫室四周做防寒隔熱層，對降低室內(nèi)地溫損失將非常有利。

圖6 不同深度地溫旬平均溫度變化

3 小結(jié)與討論

1）晴天啟動太陽能主動蓄熱系統(tǒng)后，8：30時雙效溫室高于對照溫室3.54℃，陰天雙效溫室較普通溫室晚間最低溫度高2.44℃。中午雙效溫室中部前、中、后3個測點光強基本一致，差異不明顯。雙效溫室內(nèi)40 cm地溫保持在12℃以上，20 cm以下地溫日變化幅度較小，基本處于日恒溫層。

2）研制的裝配式溫室結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場組裝，提高了日光溫室建造效率，并且提高了土地利用率。研制的太陽能主動蓄熱系統(tǒng)蓄放熱性能好，不僅可應(yīng)用于雙效太陽能溫室，還可應(yīng)用于普通日光溫室，能有效提高日光溫室晚間的最低溫度，對日光溫室環(huán)境性能的改善和防災能力的提高都非常有利。

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